[发明专利]一种三元系弛豫铁电单晶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三元系弛豫铁电单晶材料及其制备方法，具体说，是涉及一种采用改进的Bridgman法制备的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅三元系弛豫铁电单晶材料，其化学组成为：xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-yPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x-y)PbTiO₃，简写为：PIMNT，属于晶体材料技术领域。

背景技术

具有复合钙钛矿结构的弛豫铁电单晶是近年来成功制备并广泛研究的一种多功能高性能的智能材料。以研究比较成熟的二元系铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-xPT)为例，其在准同型相界附近(x＝0.28～0.33)具有优异的压电和热释电性能。其压电常数d₃₃和机电耦合系数k₃₃分别达到2000pC/N和92％，应变高达1％以上，相比常用的压电材料PZT陶瓷有了一个巨大的提升；其热释电系数在室温下可达到12.8×10^-4Cm^-2K^-1，探测优值达到10.2×10^-5Pa^-1/2，远远优于其它普通热释电材料。优异的性能使得弛豫铁电单晶在医用超声成像、声纳和红外成像等方面具有广泛的应用前景。但是由于准同型相界组分的PMNT单晶居里温度和三方-四方转变温度比较低，分别为140℃和65℃，其应用的温度范围受到了严格的限制。

为解决PMNT单晶居里温度低的缺点，最近在制备高居里温度的弛豫铁电单晶方面进行了许多的研究和尝试。例如Guo等成功生长了铌铟酸铅-钛酸铅(PINT)单晶，其具有和PMNT单晶类似的高压电和热释电性能，同时居里温度高达250℃，但是由于PINT结晶比较困难，因此难以大批量生长和应用。

发明内容

本发明针对上述现有技术所存在的缺陷和问题，提供一种采用改进的Bridgman法制备的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅三元系弛豫铁电单晶材料，以解决现有技术中的PMNT单晶居里点太低及PINT单晶结晶比较困难、难以批量生长的缺陷，为本领域增添一类新产品。

本发明提供的三元系弛豫铁电单晶材料，其特征在于：

晶体的化学组成为：xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-yPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x-y)PbTiO₃，简写为：xPIN-yPMN-(1-x-y)PT，其中x＝0.1～0.45，y＝0.1～0.5。

所述的三元系弛豫铁电单晶材料，晶体的化学组成优选为：0.23PIN-0.45PMN-0.32PT或0.42PIN-0.30PMN-0.28PT或0.41PIN-0.17PMN-0.42PT。

本发明所述的三元系弛豫铁电单晶材料的制备方法，是一种改进的Bridgman法，其特征在于，包括如下具体步骤：

a)按晶体的化学组成：xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-yPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x-y)PbTiO₃，其中x＝0.1～0.45，y＝0.1～0.5进行配比，准确称取In₂O₃、MgO、Nb₂O₃、PbO和TiO₂五种氧化物原料；

b)将称取的五种氧化物原料在球磨机上球磨8～12小时，以得到混合均匀的粉料；

c)将混合均匀的粉料在900～1100℃预烧2～4小时，以作为晶体生长的起始物料；

d)将预烧好的晶体生长的起始物料置于铂金坩埚中，以异质同构的铌镁酸铅-钛酸铅单晶(PMNT)作为籽晶，装入晶体生长炉中进行晶体生长，生长过程的炉温控制在1250～1530℃，沿坩埚下降方向的最大温度梯度为50～70℃/cm，下降速率为0.1～0.8mm/hr。

所用的In₂O₃、MgO、Nb₂O₃、PbO和TiO₂五种氧化物原料的纯度大于99.99％。

所述的铂金坩埚在使用时处于密封状态。